A medida que avanza la informática, su tecnología se incorpora a cada vez más productos electrónicos. Las capacidades que ofrecen los sistemas embebidos permiten que los equipos electrónicos tengan capacidades mucho mayores de las que serían posibles si sólo se utilizaran técnicas de hardware.

Como resultado, los sistemas integrados se encuentran en todo tipo de equipos y aparatos electrónicos. Desde pequeñas cantidades de procesamiento en artículos como temporizadores electrónicos, hasta sistemas embebidos mucho más complicados como consolas de juegos e incluso grandes fábricas y otros sistemas industriales.

La técnica recibe su nombre del hecho de que el software está integrado en él para una aplicación concreta. El sistema embebido no es como un PC u otro ordenador que puede ejecutar diversos programas y realizar toda una serie de tareas, sino que el elemento que utiliza el software embebido se centra en una tarea o aplicación concreta.

Para responder a esta necesidad, el artículo que utiliza técnicas embebidas tiene su software precargado, aunque se pueden realizar actualizaciones de vez en cuando.

Conceptos básicos de los sistemas embebidos

Cabe preguntarse qué es un sistema integrado. Con muchos sistemas basados en procesadores y ordenadores, es útil definir qué es un sistema embebido. Una definición conveniente para un sistema embebido es: Un sistema embebido es cualquier sistema informático contenido en un producto que no se describe como un ordenador.

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Utilizando esta definición de sistema embebido es posible entender las diversas características básicas uno. Típicamente son:

• Los sistemas embebidos están diseñados para una tarea específica. Aunque utilizan técnicas informáticas, no pueden usarse como un ordenador de propósito general que utiliza una variedad de programas diferentes para distintas tareas. De este modo, su función puede centrarse en lo que tienen que hacer y, en consecuencia, pueden ser más baratos y eficientes.
• El software de los sistemas integrados suele denominarse firmware. En lugar de estar almacenado en un disco, donde se pueden guardar muchos programas, el programa único de un sistema integrado suele estar almacenado en un chip y se denomina firmware.

Los sistemas embebidos contienen dos elementos principales:

• El hardware del sistema embebido: Como cualquier sistema electrónico, un sistema embebido requiere una plataforma de hardware sobre la que funcionar. El hardware se basa en un microprocesador o microcontrolador. El hardware del sistema embebido también contendrá otros elementos, como la memoria, las interfaces de entrada y salida (E/S), así como la interfaz de usuario y la pantalla.
• Software del sistema integrado: El software del sistema embebido se escribe para realizar una función concreta. Normalmente se escribe en un formato de alto nivel y luego se compila para proporcionar un código que pueda alojarse en una memoria no volátil dentro del hardware.

Hardware de los sistemas embebidos

Cuando se utiliza un sistema embebido se puede elegir entre el uso de un microcontrolador o un microprocesador.

• Sistemas basados en microcontroladores: Un microcontrolador es esencialmente una CPU, unidad central de procesamiento, o un procesador con memoria integrada o dispositivos periféricos. Como se necesitan menos componentes externos, los sistemas integrados que utilizan microcontroladores tienden a ser más utilizados
• Sistemas basados en microprocesadores: Los microprocesadores contienen una CPU pero utilizan chips externos para la memoria y las interfaces periféricas. Como requieren más dispositivos en la placa, pero permiten una mayor expansión y selección de periféricos exactos, etc., este enfoque tiende a utilizarse para los sistemas empotrados más grandes.

Sea cual sea el tipo de procesador que se utilice en el sistema integrado, puede ser un tipo de propósito muy general o uno de los muchos procesadores altamente especializados destinados a una aplicación concreta. En algunos casos, los chips diseñados a medida pueden ser viables para una aplicación concreta si las cantidades son lo suficientemente elevadas. Un ejemplo común de una clase estándar de procesador dedicado es el procesador de señales digitales, DSP. Este tipo de procesador se utiliza sobre todo para procesar archivos de audio e imágenes. Se requiere un procesamiento muy rápido, ya que pueden utilizarse en aplicaciones como los teléfonos móviles y similares.

Software de sistemas embebidos

Uno de los elementos clave de cualquier sistema embebido es el software que se utiliza para ejecutar el microcontrolador.

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Hay una gran variedad de formas de escribirlo:

• Código máquina: El código máquina es el código más básico que se utiliza para la unidad procesadora. El código está normalmente en código hexadecimal y proporciona las instrucciones básicas para cada operación del procesador. Esta forma de código se utiliza raramente en los sistemas embebidos hoy en día.
• Lenguaje de programación: Escribir código máquina es muy laborioso y requiere mucho tiempo. Es difícil de entender y depurar. Para superar esto, se suelen utilizar lenguajes de programación de alto nivel. Los lenguajes más utilizados son C, C++, etc.

El código del sistema integrado suele almacenarse en una forma de memoria no volátil situada en la placa del procesador. El código se denomina firmware. La idea es que no se actualice de la misma manera que el software, ya que se almacena en el sistema integrado y no puede ser modificado por el usuario.

A menudo es posible actualizar el software, pero esto puede significar cambiar la tarjeta de memoria en la que se encuentra el firmware, o actualizarlo de otra manera.

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A menudo se pueden utilizar herramientas adicionales para ayudar al desarrollo del firmware. A menudo, los programas pueden complicarse y es necesario asegurarse de que el firmware del sistema embebido funciona correctamente.

Herramientas de diseño de sistemas empotrados

Muchos sistemas empotrados son complicados y requieren grandes niveles de software para su funcionamiento. El desarrollo de este software puede requerir mucho tiempo y tiene que ser muy preciso para que el sistema integrado funcione correctamente. La codificación en los sistemas embebidos es una de las principales áreas en las que se producen fallos.

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Para ayudar a simplificar el proceso, normalmente se utilizan herramientas de desarrollo de software. Éstas ayudan al desarrollador de software a programar con mayor rapidez y también con mayor precisión.

Qué es un microcontrolador MCU: sistemas embebidos

A la hora de desarrollar un sistema embebido, una de las opciones es basar el hardware computacional en torno a un microcontrolador, MCU, en lugar de un microprocesador, MPU.

Ambos enfoques tienen sus atractivos, pero generalmente se encontrarán en aplicaciones diferentes. El microcontrolador, MCU, suele encontrarse en aplicaciones en las que el tamaño, el bajo consumo y el bajo coste son requisitos fundamentales.

El microcontrolador MCU se diferencia del microprocesador en que contiene más elementos del motor de procesamiento general dentro de un chip.

El hecho de reunir la mayoría de los componentes del motor de procesamiento en un solo chip reduce el tamaño y el coste. Esto permite que sea económicamente viable controlar digitalmente aún más dispositivos y procesos. Además, cada vez se utilizan más los microcontroladores de señal mixta, que integran componentes analógicos necesarios para controlar sistemas electrónicos no digitales.

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Conceptos básicos de los microcontroladores

Los microcontroladores comprenden los principales elementos de un pequeño sistema informático en un solo chip. Contienen la memoria y la E/S, así como la CPU, en el mismo chip. Esto reduce considerablemente su tamaño, lo que los hace ideales para pequeños sistemas embebidos, pero significa que hay compromisos en términos de rendimiento y flexibilidad.

Como los microcontroladores suelen estar pensados para aplicaciones de bajo consumo y procesamiento, algunos de ellos sólo utilizan palabras de 4 bits y pueden funcionar con frecuencias de reloj muy bajas, algunas de 10 kHz o menos, para ahorrar energía.

Esto significa que algunos MCU pueden consumir sólo un milivatio más o menos y también pueden tener niveles de consumo en reposo de unos pocos nanovatios. En el otro extremo de la escala, algunas MCU pueden necesitar niveles de rendimiento mucho más altos y pueden tener velocidades de reloj y consumo de energía muy superiores.

Ventajas y desventajas del microcontrolador

Al igual que ocurre con cualquier dispositivo o sistema, hay que tener en cuenta las ventajas y desventajas de los microcontroladores a la hora de emprender un nuevo diseño.